变压器油的击穿电压

将电压施加于绝缘油时,随着电压增加,通过油的电流剧增,使之完全丧失所固有的绝缘性能而变成导体,这种现象称为绝缘油的击穿;绝缘油发生击穿时的临界电压值,称为击穿电压,此时的电场强度,称为油的绝缘强度,表明绝缘油抵抗电场的能力;击穿电压U kV和绝缘强度E kV/cm的关系为

E=U/d 2-26

式中d-电极间距离cm;

纯净绝缘油与通常含有杂质的绝缘油具有不同的击穿机理; 前者的击穿是由于游离所引起,可用气体电介质击穿的机理来解释,即在高电场强度下,油分子碰撞游离成正离子和电子,进而形成了电子崩;电子崩向阳极发展,而积累的正电荷则聚集在阴极附近,最后形成一个具有高电导的通道,导致绝缘油的击穿;

通常绝缘油总是或多或少含有杂质,在这种情况下,杂质是造成绝缘油击穿的主要原因;油中水滴、纤维和其他机械杂质的介电系数ε比油的要大得多纤维的ε=7,水的ε=80,而变压器油的ε≈2.3,因此在电场作用下,杂质将被吸引到电场强度较大的区域,在电极间构成杂质“小桥”,从而使油的击穿强度降低;如杂质足够多,则还能构成贯通电极间隙的“小桥”,流过较大的泄漏电流,使之强烈发热,并使油和水局部沸腾和气化,结果击穿就沿此“气桥”而发生;

下面分别分析影响绝缘油击穿电压的各主要因素;

1测量绝缘油击穿强度时采用的电极材料、电极形状和电极面积

对油的绝缘强度有影响;根据试验数据得知,在同样的试验条件下,不同电极材料测量的同种油样绝缘强度的排列顺序为Fe<黄铜通常是用黄铜而不是用紫铜来制造电极,因为紫铜容易在表面上生成一层氧化膜；而在变压器中实际采用的材料却是纯铜紫铜,而不是黄铜铜锌合金;研究这两种材料制造的标准电极测得的变压器油绝缘强度如表2-24所示;可以看出,纯铜电极的测得值比黄铜电极的测得值高,二者相差不超过10%～15%;因此可以说,采用黄铜电极比用纯铜电极的试验条件更严格;

表2-24 电极材料对油绝缘强度的影响

此外,电极形状、电极尺寸、电极之间的距离以及油杯的形状和容量都对击穿电压有影响;

研究表明,球形电极对油质最敏感；其次是平板式电极；而一种所谓“台阶式塔形电极”,由于建立起的电场极不均匀,所以几乎看不出油质污染对绝缘强度的影响;圆盘电极边缘若不是圆弧而是存在尖锐的棱角,则对绝缘强度有很大影响,这是由于油中极性杂质将被吸引到这些局部高场强的地方,从而减轻了油的不均匀性;因此,电极边缘有棱角时,受潮油的绝缘强度总是比均匀电场时偏高;

当电极之间的距离足够小时,油的绝缘强度随电极面积的增加而

减小,但是当电极间距离大于1mm时,这种依赖关系就不存在了;电极间距离对油绝缘强度的影响如图2-43和图2-44所示;电极间距离、电极形状和尺寸的影响实际上是电场均匀性的影响,因此电极和油杯的设计要保证电场的均匀性和油中杂质的均匀分布,而在油第一次击穿后所产生的残炭要有足够自净时间,不致影响同一油样后来的击穿电压测量;

2施加电压的频率和加压速度都对油的绝缘强度有影响;表2-25列出了频率对油绝缘强度的影响;随着油纯度的提高,其绝缘强度和频率之间的依赖关系逐渐减弱;

表2-25 频率对油绝缘强度的影响

随着施加电压的速度减缓,由于在电极之间的空间内吸引了大量的低沸点杂质,所以油的绝缘强度会有所降低;各国采用的电极形式、尺寸和电极间距离有所不同,规定的升压速度也有区别;在我国GB/T 507-2002绝缘油击穿电压测定法中对此有明确规定;

3油的绝缘强度和温度的关系取决于油的纯净程度;充分干燥并脱气的油,在20～120℃温度范围内,油的绝缘强度几乎没有变化;当油中含有水分时,则油的绝缘强度随温度的升高而增加,并在60～80℃达到最大值;当温度继续升高时,油绝缘强度有所降低,如图2-45所示;对此的解释是：随着温度升高,油中水分因蒸发而减少会全部或部分由悬浮态转变为溶解态,故绝缘强度增高;当达到最大值后继续升高温度,油中水分和油的轻质成分气化形成气泡使绝缘强度降低; 1干燥的油；2-油+0. 01%水分加热过程中测得的曲线；3-油

+0.01%水分在冷却过程中测得的曲线；4-油+0.05%水分加热过程中测得的曲线；5-油+0.1%水分在加热过程中测得的曲线

图2-45 油的绝缘强度与温度的关系

4水分对油的绝缘强度有重要影响;油是否易受潮与其化学成分和油中极性杂质的存在有关;使油绝缘强度降低的主要原因是悬浊态水,分子溶解态水对油绝缘强度的影响要小得多;油中水分对绝缘强度的影响如图2-46所示;

图2-46 在标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量的关系 5机械杂质纤维等和极性杂质对油绝缘强度存在影响;由图2-47可知,各种油的绝缘强度随着受潮时间的延长而降低是很明显的;纤维在吸潮后更容易在高场强下形成“小桥”,导致绝缘强度降低;颗粒含量对油绝缘强度及含水量关系的影响,如图2-48所示;

图2-47空气湿度为98%时几种受潮油绝缘强度与受潮时间的关系

图2-48油的绝缘强度击穿电压Uh与含水量和悬浮颗粒含量的关系 1-纯油；2-含1. 76mg炭；3-含0.21mg纤维；4-含1.12mg纤维

极性物质对油的电导率和绝缘强度的影响取决于它们在油中的存在状态,大致具有如表2-26所示的规律;

表2-26 极性物质对油的电导率和绝缘强度的影响 6溶解气体对绝缘强度有很大影响,如表2-27所示;湿度不同的空气对油绝缘强度的影响如表2-28所示;未经深度脱气的绝缘油通常含有气泡,它会显著降低油的绝缘强度;油中生成气泡的可能原因将在3.6节中阐述;

表2-27 溶解气体对油绝缘强度的影响

表2-28 湿度不同的空气对油绝缘强度的影响